有源濾波器考察現場-設計-安裝-調試過程.doc

沈陽*航空機械制造有限公司有源波器效果總結遼寧東盛安信電能控制技術有限公司2013年8月一、背景 2013年1月24日我東盛公司三名技術人員攜帶福祿克（諧波測試儀）對貴廠的用電環(huán)境進行了實地測察?，F場5臺變壓器，單臺容量均為800KVA，其中有3臺變壓器側現有補償設備出現燒毀現象，通過測試現場3.5.7次諧波嚴重超標，原補償設備沒加電抗器，導致諧波電流放大，投切涌流將補償設備燒毀。運行的負荷多為感性負荷，這樣不僅造成功率因數過低，網絡損耗，還會引起電壓波動降低生產效率。更有三相負荷無功電流不同，造成三相的視在電流不平衡，使變壓器的銅損，鐵損成倍增加。情況列表如下：序號變壓器容量負載類型功率因數現存在問題諧波次數備注A800KVA點焊機0.3-0.9之間頻繁波動電流嚴重三項不平衡3.5.7.11次功率因數不達標二、標準和規(guī)范應遵循的主要現行標準，但不僅限于下列標準的要求，所有設備都符合相應的標準、規(guī)范或法規(guī)的最新版本或其修正本的要求，除非另有特別外，合同期內有效的任何修正和補充都應包括在內。GB/T2900.11992 電工術語 基本術語GB/T2900.321994 電工術語 電子半導體器件GB/T2900.332003 電工術語 電力電子技術（IEC 60050GB/T3859.11993 半導體交流器基本要求的規(guī)定GB/T37972005 電氣控制設備GB 102361988 半導體電力交流器與電網互相干擾及其防護方法導則GB/T17626.21988 電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗GB/T17626.121998 電磁兼容試驗和測量技術振蕩波抗擾度試驗GB 42081993 外殼防護等級（IP代碼）（IDT IEC 60529:1989）GB/T5169.101997 電工電子產品著火危險試驗 試驗方法 灼熱絲試驗方法總則GB/T5169.111997 電工電子產品著火危險試驗試驗方法灼熱絲試驗和導則GB/T7251.12005 低壓成套開關設備和控制設備第1部分：型式試驗和部分型式試驗設備（IEC 60439）GB/T72612000 繼電器及裝置基本試驗方法GB 9969.11998 工業(yè)產品使用說明書總則GB/T145491993 電能質量公用電網諧波GB/T155761995 低壓無功功率靜態(tài)補償裝置總技術條件GB501711992 電氣裝置安裝工程盤、柜及二次回路結線施工及驗收規(guī)范三、諧波的危害：3.1諧波對電網及用電設備的影響： 增加輸電、供電和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱，降低設備的利用率和經濟效益，并給企業(yè)增加額外的電能損耗。3.2 電力諧波對電力電容器的影響： 當電網存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對于膜紙復合介質電容器，雖然允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍；對于全膜電容器允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的1.43倍，但如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會使電容器過電流和過負荷，損耗功率超過上述值，使電容器異常發(fā)熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經畸變的電網中時，還可能使電網的諧波加劇，即產生諧波擴大現象。另外，諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形，尖頂電壓波易在介質中誘發(fā)局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強度大，對絕緣介質更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命。一般來說，電壓每升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2左右。再者，在諧波嚴重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。3.3 電力諧波對變壓器的影響： 諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3 次及其倍數次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點按地，而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯電容器時，可能形成3 次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。諧波電流的增加會使變壓器局部嚴重過熱，輕則縮短變壓器的使用壽命，重則導致變壓器燒毀。 對變壓器而言，諧波電流可導致銅損和雜散損耗增加，諧波電壓則會增加鐵損。與純基波運行的正弦波電流和電壓相比較，諧波對變壓器的最主要的影響是變壓器運行溫度上升，同時由諧波所引起的額外損耗將與電流和頻率的平方成比例上升，進而導致變壓器的基波負載容量下降；研究表明，變壓器溫升每升高8度，壽命將減少50%。變壓器：下面統(tǒng)計在變壓器額定容量下，不同諧波電流總畸變率對變壓器溫升的影響（以現移動通信局房F等級變壓器為例，其允許溫升為100K）。環(huán)境平均溫度為30，只考慮基波電流情況下，四種容量的變壓器在不同負載率下的溫升變化如下表： 變壓器在不同負載率下的溫升變化（基波） 表1容量（kVA）負載率為100%（K）負載率為90%（K）負載率為80%（K）負載率為70%（K）負載率為60%（K）負載率為50%（K）160010084.570.056.544.233.0125010084.570.056.544.233.063010084.570.056.544.233.050010084.570.056.544.233.0平均環(huán)境溫度為30，變壓器在額定負載（100%負載），在諧波電流總畸變率為5%，10%，15%，20%時溫升的變化如下表： 變壓器在不同諧波含量下的溫升變化 表2 容量（kVA）在不同諧波電流總畸變率下的溫升畸變率為5%（K）畸變率為10%（K）畸變率為15%（K）畸變率為20%（K）1600108.21118.67131.26139.981250108.21118.67131.26139.98630108.21118.67131.26139.98500108.21118.67131.26139.98由表1我們可以得出，在不同負載下，F等級變壓器只考慮基波的情況下，離100K溫升所剩余的溫升量如下表： 變壓器在不同負載率下的溫升剩余量 表3 容量（kVA）負載率為100%（K）負載率為90%（K）負載率為80%（K）負載率為70%（K）負載率為60%（K）負載率為50%（K）1600015.530.043.555.877.01250015.530.043.555.877.0630015.530.043.555.877.0500015.530.043.555.877.0由表2我們可以得出，在變壓器額定容量下不同諧波含量時，F等級變壓器所產生的溫升提高量如下表： 變壓器在不同諧波含量下的溫升提高量 表4 容量（kVA）在不同諧波電流總畸變率下的溫升畸變率為5%（K）畸變率為10%（K）畸變率為15%（K）畸變率為20%（K）16008.2118.6731.2639.9812508.2118.6731.2639.986308.2118.6731.2639.985008.2118.6731.2639.98通過對表3和4數據分析，環(huán)境平均溫度為30，結合F型變壓器溫升100K的性能，不同諧波電流總畸變率（諧波電流總畸變率指在變壓器額定負載下，其諧波的含量比）對變壓器實際使用容量的影響如下表： 諧波對變壓器使用容量的影響 表5 在不同諧波電流總畸變率下的容量變化變壓器額定容量下降百分比畸變率為5%畸變率為10%畸變率為15%畸變率為20%5%11%19%23%因此，在實際使用中，為保證變壓器溫升100K，應根據表5諧波含量對變壓器使用容量的影響，結合變壓器實際使用負荷大小或擬新增負荷容量情況，判斷變壓器容量是否滿足要求，（諧波電流畸變率按測試所得諧波電流有效值與額定電流之比計算）從而制定相應方案。3.4 對電力電纜的危害由于諧波次數高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的答應通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側及線路感抗與系統(tǒng)串聯，進步功率因數用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯，在一定數值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。3.5 對供配電線路的危害： 影響線路的穩(wěn)定運行：供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護，使得在故障情況下保證線路與設備的安全。但由于電磁式繼電器與感應式繼電器對10%以下含量高達40%時又導致繼電保護誤動作，因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器固然具有很多優(yōu)點，但由于采用了整流取樣電路，輕易受諧波影響，產生誤動或拒動。這樣，諧波將嚴重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。 影響電網的質量:電力系統(tǒng)中的諧波能使電網的電壓與電流波形發(fā)生畸變。如民用配電系統(tǒng)中的中性線，由于熒光燈、調光燈、計算機等負載，會產生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，可達40%；三相配電線路中，相線上的3的整數倍諧波在中性線上會疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流。另外，相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網電壓，浪費電網的容量。3.6 對用電設備的危害： 對低壓開關設備的危害：對于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱，同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數越高影響越大；熱磁型的斷路器，由于導體的集膚次應與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低；電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產生誤動作。 對于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現誤動作或不動作。對于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。 對弱電系統(tǒng)設備的干擾對于計算機網絡、通訊、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設備，電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統(tǒng)中，產生干擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比，傳導則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流進接地極，從而干擾弱電系統(tǒng)。 影響電力計量的正確性：目前采用的電力計量儀表中有磁電型和感應型，它們受諧波的影響較大。特別是電能表（多采用感應型），當諧波較大時將產生計量混亂，丈量不正確。3.7 電力諧波對電動機的危害：電動機的設計工作電壓為工頻下，長期工作在諧波電壓畸變的環(huán)境下，將大大降低電機的使用壽命。諧波對異步電機的影響，諧波對旋轉電機的危害主要是產生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉電機的鐵心和繞組中產生的附加損耗增加。在供電系統(tǒng)中，用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%左右。因此，諧波使電力用戶電動機總的附加損耗增加的影響最為顯著。由于電動機的出力一般不能按發(fā)熱情況進行調整，由諧波引起電動機的發(fā)熱效應是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負序電壓來考慮的。試驗表明，在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負序電壓時，電動機的絕緣壽命要減少一半。因此，國際上一般建議在持續(xù)工作的條件下，電動機承受的負序電壓不宜超過額定電壓的2%。諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大，但諧波會產生顯著的脈沖轉矩，可能出現電機轉軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機的轉子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機葉片產生疲勞循環(huán)。3.8 對周邊設備的影響： 影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性： 諧波對電力系統(tǒng)中以負序(基波)量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序(基波)量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負序源)則會引起發(fā)電機負序電流保護誤動(若誤動引起跳閘，則后果嚴重)、變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發(fā)生誤動，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。 對通訊系統(tǒng)工作產生干擾： 電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設備和人員的安全。 對弱電設備的影響： 電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內的元件溫度出現過熱，使計算機及數據處理系統(tǒng)出現錯誤，嚴重甚至損害機器。 影響電力測量的準確性：由于電力計量裝置都是按50Hz 的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網，卻反而少交電費；而與此同時，在線性負荷用戶處，電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。電子式電能表更不利于供電部門而有利于非線性負荷用戶。干擾通信系統(tǒng)的工作：電力線路上流過的3、5、7、11 等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。另外高壓直(HVDC)換流站換相過程中產生的電磁噪聲(3-10kHz)會干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置動作失誤，影響電網運行的安全。目前采用的電力測量儀表中有電磁型和感應型，它們受諧波的影響較大。特別是電能表，當諧波較大時會產生計量混亂，測量不準確。諧波已成為電網的一大公害、各類設備的隱形殺手，同時諧波給企業(yè)帶來的經濟損失已經越來越受到重視。2.9諧波對電能的損耗供電電源電流按傅立葉級數分解可分為基波有功電流、基波無功電流、諧波有功電流和諧波無功電流，間諧波和次諧波電流含量相對較小。實際生產過程中我們需要消耗的是基波的能量。 大量的諧波會產生極大的額外的諧波功率，直接浪費企業(yè)的電能。 諧波在電纜上的集膚效應，導致電纜溫升巨大，電能未能直接成為有效的生產動能，而 是有電能直接轉化成為了電纜的熱效應能量，產生巨大電能浪費。長期諧波環(huán)境下，將造成導線絕緣破壞對地放電等隱患。變壓器由于諧波的影響所造成的鐵損、銅損等能量損耗，并且由于諧波引起的變壓器的噪音及發(fā)熱，使電能轉變?yōu)榱藷崮芗奥曇舻哪芰坷速M。大大增加開關誤動作的幾率，造成企業(yè)的停電損失。諧波的污染降低了用電利用率，將直接導致電費的增加。抑制諧波將有效提高用電利用率，減少企業(yè)的直接電費損失。四、設計解決方案：根據現場測量與現場觀察，其中一臺變壓器所帶負荷存在單相負荷，三相電流嚴重不平衡，功率因數低，電流波動速度快，原補償設備是使用接觸器投切，投切速度跟不上動態(tài)變化速度，同時產生大量的3.5.7.9次諧波，對用電設備照成影響，誘發(fā)電網諧振。使電力系統(tǒng)各種測量儀表產生誤差，對通訊、電子類設備產生干擾。針對該狀況需要設計一套200A有源濾波器。利用有源濾波器響應速度快，濾波能力強大的特點來消除現場的諧波。附錄1為有源濾波器DEAPF安裝前與安裝后電網諧波的分析以及效果。五、設備簡介：DEAPF有源濾波裝置通過由大容量IGBT管組成的三相并聯變流器向系統(tǒng)注入補償電流，該補償電流與負荷電流中的諧波電流大小相等，方向相反，互相抵消，實現濾出諧波的功能，保證最終流入系統(tǒng)電流是正弦波。5.1裝置主要技術參數：額定頻率：50HZ額定電壓：0.38kV15%額定電流：200A響應時間：10ms5.2裝置主要功能和特點： 主電路采用國際著名品牌的IGBT器件，能自動根據電網運行方式的變化和負載的波動調整輸出，以抵消電網中的諧波。 有源濾波裝置的濾波性能獨立于電網阻抗及系統(tǒng)之外，不受電網阻抗和系統(tǒng)阻抗變化的影響。 濾波范圍：可濾除從第2到第51次諧波；可根據需要設定需要濾波的諧波次數和消除諧波的目標值。 有源濾波裝置可以方便地通過并聯實現現擴容。 過電流限制：采用可靠的限流控制環(huán)節(jié)，當系統(tǒng)中的諧波電流大于有源濾波裝置的治理能力時，有源濾波裝置能在自己的額定容量范圍內最大限度的對諧波進行補償，維持正常工作，不會出現過載燒毀等故障。 具備完整的保護功能，包括過載，過電流，短路等，具備系統(tǒng)啟動自診斷功能。 具有緩啟動控制回路，能夠避免自啟動瞬間過大的投入電流，并限制該電流在額定范圍之內。 網絡與通訊：通訊協(xié)議為MODBUS,具備485通訊接口，方便接入用戶現有的通訊系統(tǒng)，滿足實現通訊監(jiān)控功能的需要。 控制器：計算與邏輯處理采用全數字化技術，采用DSP并配有功能強大的FPGA芯片。 采用漢字液晶觸摸屏，具有故障報警及追憶功能，在面板上能實時顯示運行狀態(tài)，以及設定運行參數。六、使用后效益在采用有源濾波器對系統(tǒng)諧波污染進行治理后的效益：6.1 減少諧波含量，避免TSC電容器組和系統(tǒng)電路可能會發(fā)生的并聯諧振而引起的燒毀，保證無功補償柜的正常運行；6.2 減小流過配電線路的電流有效值，提高功率因數，消除流過配電線路的諧波，從而大大減小線路損耗，降低配電線纜的溫升，提高線路帶載能力；6.3 減少控制設備和繼電保護裝置誤動作或拒動作，提高供電的安全和可靠性；6.3 補償三相電流不平衡，減少變壓器和線路的銅損以及中線電流，提高供電質量；6.5 減小變壓器的附加損耗，降低噪聲，提升變壓器的帶載能力；6.6 在有源濾波器容量足夠的情況下，一般情況下濾波后的電流畸變率在5%左右；6.7 DEAPF接入后，還能提升變壓器和配電線纜的帶載能力，相當于對系統(tǒng)進行了一次擴容，減少了系統(tǒng)在擴容方面的投入；6.8 為精密設備穩(wěn)定正常工作提供保證；綜上，在系統(tǒng)嚴重的諧波污染得以得到完美的治理后，系統(tǒng)的整體運行效率將會得到提成，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行也可以得到有力的保障，因此諧波治理對系統(tǒng)的效益十分巨大。附錄1項目名稱沈陽新寶路航空機械制造有限公司諧波治理數據編號第1項/共12項安裝總數2臺100A APF型號規(guī)格DEAPF-100/400測試工程師趙 野初裝日期2013/7/8驗收日期2013/8/13項目描述沈陽新寶路機械制造有限公司為汽車配件制造企業(yè)，其中板金車間里有20臺氣動點焊機工作，由于點焊機的工作方式為點動，正常工況下，當20臺點焊機工作的時候電流會瞬間到達200A到1600A,，即電流到達高峰后立即回落，點焊機的平均工作頻率為大概為1秒一次，在這種工作頻率快且電流波動大的工況下產生大量的諧波電流，電能質量很差，給系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波污染，目前的供電質量難以保證穩(wěn)定生產的需要，為提高供電能質量的同時推進節(jié)能降耗和節(jié)約生產，保證配電房內的電氣設備安全穩(wěn)定運行，故在為板金車間供電的3#配電房內投入200A有源濾波器。安裝及驗收測試點示意圖驗收測試點如上圖所示單相測試：分別為電網C相、負載C相、APF輸出C相三相測試：電網A、B、C相項目名稱沈陽新寶路航空機械制造有限公司諧波治理數據編號第2項/共12項安裝總數2臺100A APF型號規(guī)格DEAPF-100/400測試工程師趙 野初裝日期2013/7/8驗收日期2013/8/13配電室外景圖3#配電室內照片單相測試電流有效值趨勢分析該時間段內APF開啟，可以看出電網電流相比較負載電流略小一點，主要是諧波濾除的原因項目名稱沈陽新寶路航空機械制造有限公司諧波治理數據編號第3項/共12項安裝總數2臺100A APF型號規(guī)格DEAPF-100/400測試工程師趙 野初裝日期2013/7/8驗收日期2013/8/13單相測試THDI值趨勢分析該時間段我們可以比較清楚地看到黑色的線是電網的THDI變化趨勢，而紅色的是負載的THDI變化趨勢，電網的THDI值明顯要比負載的THDI值要小得多，說明濾波器濾波效果極好的同時，也說明濾波器快速響應了點焊機的變化。項目名稱沈陽新寶路航空機械制造有限公司諧波治理數據編號第4項/共12項安裝總數2臺100A APF型號規(guī)格DEAPF-100/400測試工程師趙 野初裝日期2013/7/8驗收日期2013/8/13單相測試電流波形分析黑色波形是APF補償后電網的波形，接近正弦波。紅色波形是負載波形，畸變較大，藍色波形是APF輸出的補償電流，基本上快速響應了負載的變化，很好地補償了諧波。項目名稱沈陽新寶路航空機械制造有限公司諧波治理數據編號第5項/共12項安裝總數2臺100A APF型號規(guī)格DEAPF-100/400測試工程師趙 野初裝日期2013/7/8驗收日期2013/8/13單相測試數據分析A2項是負載電流其THDI值26.7%，A1項是電網電流其THDI值3.6%，APF濾波效果極好。項目名稱沈陽新寶路航空機械制造有限公司諧波治理數據編號第6項/共12項安裝總數2臺100A APF型號規(guī)格DEAPF-100/400測試工程師趙 野初裝日期2013/7/8驗收日期2013/8/13三相測試開啟APF前的波形圖電壓波形圖電流波形圖電壓波形有明顯的缺口畸變嚴重電流波形不但畸變嚴重，還存在三相不平衡三相測試開啟APF后的波形圖電壓波形圖電流波形圖電壓波形接近標準正弦波電流波形接近標準正弦波波形圖對比小結有源電力濾波器開啟后，電壓和電流波形的畸變明顯減少，接近標準正弦波。濾波效果非常好。項目名稱沈陽新寶路航空機械制造有限公司諧波治理數據編號第7項/共12項安裝總數2臺100A APF型號規(guī)格DEAPF-100/400測試工程師趙 野初裝日期2013/7/8驗收日期2013/8/13三相測試